CN202524483U - 一种基于fpga的cis图像采集*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于FPGA的CIS图像采集***，采集***包括CIS传感器，所述的CIS图像采集***还包括与CIS传感器输出端连接的AD采集模块、与AD采集模块双向连接的FPGA数据处理模块、与FPGA数据处理模块双向连接的LVDS转换模块和单片机控制模块、与LVDS转换模块双向连接的cameralink接口，单片机控制模块与LVDS转换模块双向连接。单片机控制模块的输出端与AD采集模块的输入端连接。单片机控制模块的单片机为PIC单片机。FPGA数据处理模块的输出端与CIS传感器连接。本实用新型能精确的对CIS图像进行采集检测，检测出PCB板中存在的缺陷，提高PCB板的合格率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于检孔机或PCB行业其他领域的线阵接触式图形采集***，特别是涉及一种基于FPGA（Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）的CIS（Contact Image Sensor，接触式图像传感器）图像采集***。
背景技术
接触式图像传感器（CIS）约在90年代初发展成形,由于其机构紧凑，无复杂光学镜头组件，体积小，重量轻，抗震性能好，响应快的优点，已逐步取代了CCD的部分市场，广泛的应用于传真、扫描、纸币票据识别、光标阅读中，同时，CIS在PCB行业的应用，减少了检测仪器的体积，增加了的稳定性和性价比。
PCB行业的发展，使得人工检测已无法适应；通过CIS进行PCB图像的采集，经软件分析处理，可以方便的检测出PCB板中的缺陷，提高了PCB厂家的竞争力；但如何能更好的利用FPGA进行CIS图像采集，采集***越来越精确。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于FPGA的CIS图像采集***，能精确的对CIS图像进行采集检测，检测出PCB板中存在的缺陷，提高PCB板的合格率。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于FPGA的CIS图像采集***，包括CIS传感器，所述的CIS图像采集***还包括与CIS传感器输出端连接的AD采集模块、与AD采集模块双向连接的FPGA数据处理模块、与FPGA数据处理模块双向连接的LVDS转换模块和单片机控制模块、与LVDS转换模块双向连接的cameralink接口，FPGA提供CIS的工作时序，CIS输出的图像经过AD采集转换成数字信号，由FPGA进行预处理，并存储到内部RAM中，按照cameralink数据格式，通过LVDS芯片将数据以差分的形式输出至cameralink接口。
进一步的，所述的单片机控制模块与LVDS转换模块双向连接。
进一步的，所述的单片机控制模块的输出端与AD采集模块的输入端连接。
进一步的，所述的单片机控制模块的单片机为PIC单片机。
进一步的，所述的FPGA数据处理模块的输出端与CIS传感器连接。
进一步的，所述的FPGA数据处理模块为Cyclone III FPGA数据处理模块。
进一步的，所述的FPGA包括CIS时序、A/D采集时序、PLL倍频、双端口RAM、MCU通信、cameralink接口模块。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：能精确的对CIS图像进行采集检测，检测出PCB板中存在的缺陷，提高PCB板的合格率。
附图说明
图1为本实用新型的***结构示意图；
图2为本实用新型的FPGA总体功能模块图；
图3为本实用新型的CIS时序图；
图4为本实用新型的AD转换时序图；
图5为本实用新型的方法流程图。
具体实施方式
本实用新型的主旨在于克服现有技术的不足，提供一种基于FPGA的CIS图像采集***，本***由FPGA、单片机、AD转换器、LVDS芯片组成，FPGA提供CIS的工作时序，CIS输出的图像，经过AD采集，转换成数字信号，由FPGA进行预处理，并存储到内部RAM中，按照cameralink数据格式，通过LVDS芯片将数据以差分的形式输出至cameralink接口。
FPGA给CIS传感器提供工作时序，CIS输出的模拟信号通过AD采集，经FPGA去噪、二值化等预处理后，存储到FPGA内部RAM中。根据FPGA获得单片机的用户设定参数后，选择输出图像类型；输出图像通过LVDS芯片以差分的方式发送至cameralink接口，经图像采集卡至电脑软件处理。
下面结合实施例参照附图进行详细说明，以便对本实用新型的技术特征及优点进行更深入的诠释。
本实用新型的原理框图如图1所示，一种基于FPGA的CIS图像采集***，包括CIS传感器，所述的CIS图像采集***还包括与CIS传感器输出端连接的AD采集模块、与AD采集模块双向连接的FPGA数据处理模块、与FPGA数据处理模块双向连接的LVDS转换模块和单片机控制模块、与LVDS转换模块双向连接的cameralink接口。
进一步的，所述的单片机控制模块与LVDS转换模块双向连接。
进一步的，所述的单片机控制模块的输出端与AD采集模块的输入端连接。
进一步的，所述的单片机控制模块的单片机为PIC单片机。
进一步的，所述的FPGA数据处理模块的输出端与CIS传感器连接。
进一步的，所述的FPGA数据处理模块为Cyclone III FPGA数据处理模块。
进一步的，所述的FPGA包括CIS时序、A/D采集时序、PLL倍频、双端口RAM、MCU通信、cameralink接口模块。
如图5所示，一种根据所述的基于FPGA的CIS图像采集***的采集方法，其步骤如下：
步骤1、初始化cameralink内部的uart接口；
步骤2、读取单片机的eeprom数据；
步骤3、根据eeprom数据配置AD芯片；读取AD芯片，返回配置状态至上位机；
步骤4、若上位机有数据更新，进入中断程序，接收数据后返回；
步骤5、判断数据是否满足自定义通信协议，是则执行步骤6，否则执行步骤4；
步骤6、判断是否为新数据，是则执行步骤7，否则执行步骤12；
步骤7、判断数据是否为配置AD工作参数，是则执行步骤8，否则发送至FPGA并执行步骤10；
步骤8、重新配置AD芯片；并执行步骤9；
步骤9、将数据写入eeprom；
步骤10、图像二值化处理；
步骤11、返回配置状态至上位机；
步骤12、结束程序。
接触式图像传感器（CIS）采用一条扫描范围为658毫米，600DPI，扫描速度为70us/line的CIS。其像素时钟频率为8M，内部由36段432个有效像素的CIS并行扫描，其总有效像素为36*432=15552个像素。每4段模拟信号输出为一个接口，共9个输出接口。
CIS正常工作需要提供像素时钟信号CCLK和选通信号SI，8M的像速率使得图像传输率为8M*15552节/秒=121.5MKB/S，这要求使用高速数据处理器。
光源采用波长近630纳米的红色LED条形光源、体积小、功耗低、安装方便。
高速CCD（Charge-coupled Device电荷耦合元件）/CIS AD采样芯片WM8214，WM8214是40MSPS 16位CCD/CIS专用AD采集芯片，典型功耗只有390mW。其支持RGB三通道彩色模式和黑白单色模式，内部具有复位电平箝位电路(RLC)和双相关采样电路(CDS)，能灵活的适应各种图像传感器的连接和减少图像噪音；通过内部寄存器的设置，可以工作在RGB三通道模式和只并行输出高8位数据；这样36段CIS模式信号输出便需要12片WM8214。通过WM8214的串行接口可以实时更改图像采集的工作模式、增益、暗电平直偏值、反色等参数。
单片机用于通过接受来自cameralink接口用户命令，来配置AD采集芯片WM8214工作模式和参数配置。同时将用户数据保存于eeprom中，具备断电记忆功能。单片机也需要与FPGA通信，使FPGA根据用户设定进行相应的图像预处理。
单片机采用高性能RISC指令的PIC单片机PIC18F452，具有极强的抗干扰能力，能很好的适应检孔机中存在的电磁干扰环境。同时内部的集成256字节eeprom，擦写次数可达100万次。
FPGA为图像采集提供时序，图像数据预处理和传送输出。由于每采集一行数据量为432*36*8bit=124416bit=121.5Kbit，需要122kbit的RAM空间，同时FPGA内RAM采用M9K结构，采用Cyclone III系列的EP3C16Q240芯片，内部用于504Kbit RAM空间。其支持AS配置和JTAG在线调试配置，可以方便的进行开发调试。
camera link接口是在Channel Link基础上发展的高速视频接口，采用LVDS差分信号传输的，能有效的提供数据的可靠性。核心组成元件包括一个并转串驱动器和一个串转并接收器。驱动器将 28位CMOS/TTL信号以7: 1方式串行化为 4条LVDS数据流。一个锁相环传输时钟通过第5条 LVDS链路与其他LVDS数据流并行传输。接收器接收4路 LVDS数据信号和1路LVDS时钟信号，将数据流转换回28位的CMOS/TT L并行数据。Channel Link最高传输速率可达 2.38Gbits/ s。根据实际数据流可以配置base 3通道，medium 6通道，full 8通道模式。
对应的LVDS芯片DS90LV032用于上位机触发信号，DS90LV019用于cameralink内部uart信号转换。DS90CR287用于5条LVDS链路信号转换，支持最高时钟频率达85MHZ。
有数据数据流为121.5MKB/S，所以采用medium 6通道模式，时钟频率50MHZ。
FPGA***整体功能块图如图2示,FPGA程序设计中，FPGA为核心控制器，负责图像采集、处理和cameralink协议转换。其包括CIS时序、A/D采集时序、PLL倍频、双端口RAM、MCU通信、cameralink接口等模块。
时序设计：FPGA为CIS提供时钟信号CCLK和选通信号SI。如图2，在每个SI的上升沿之后的第72-79个CCLK内输出暗电平电压值，在第84个CCLK后输出有效像素电压。由于采用了WM8214做AD转换，其三通道采集分时输出，并且采样的数据要等到上次前面3个数据之后才输出，fVSMP=fCCLK=8MHZ。所以，需要在第84CCLK提供VSMP和RSMP信号，在84+3=87个CCLK读取数据。
数据处理：为了方便检孔机对采集到PCB板图像的判别，对图像进行预处理非常必要，可以降低上位机软件负担。采集到的图像为灰度图像，自然存在噪音，我们可以将10灰度值以下的值延伸为0，损失的部分低值像素，在一定程度可以降低噪音。同时，根据用户选定，对图像全局进行二值化，降低了上位机内存的开销，而本***可以轻松完成。用户数据接收任务由FPGA和单片机间的自定义通信协议完成。
数据存储与cameralink发送：为了满足数据采集和cameralink接口数据发送的速度匹配，需对数据进行缓冲，采用双端口RAM乒乓操作进行数据存储。其分别有独立的读写地址线和数据线，并且内部具备读写仲裁功能，防止读写冲突。利用quartus II 8.0的IP核生成向导工具可方便的生成双端口RAM。完成一行采集的数据量为124416bit，cycloneIII的RAM是M9K结构，每个RAM大小选取1KByte，共建36个RAM进行数据存储。以RAM的高地位地址作为乒乓操作的两个缓冲区，将采集的图像数据按照一定顺序存入到36个RAM中。
Cameralink接口采用medium模式，共6个效数据通道，每个数据通道负责6段CIS图像的发送。Cameralink接口时序主要提供像素时钟信号XCLK、行同步信号LVAL和帧同步信号FVAL信号，由于PCB图像的采集跟实际长度有关，只工作在线扫模式，则只需提供钟信号XCLK和LVAL行同步信号。在每个行同步信号LVAL之前需***空白像素，具体根据图像采集卡不同而相应设定，但XCLK必须保证是连续的。像素时钟信号采用50MHZ，6medium模式则可支持数据流达300MBPS。
如图3、4所示，单片机程序设计中，单片机部分负责CCD/CIS芯片WM8214的工作方式、配置增益、暗电平直偏值等参数。单片机通过类SPI方式修改内部寄存器值，改变各个参数。同时，单片机通过cameralink内部的uart接口与上位机通信，同时需要与FPGA进行数据通信，控制FPGA图像预处理的类型，所以，单片机内部存在3个通信接口。除uart直接使用PIC内部uart接口外，其余两个接口进行自定义通信方式。在用户修改参数后，将用户参数写入到PIC18F452内部集成了256字节的eeprom中。每次开机初始化时，读取eeprom的数据进行***配置。
在实验测试中中本采集***应用于Asida检孔机上，已成功通过采图验证。PCB检测速度12.4m/min，PCB宽度为650mm，实检0.15mm孔径性能稳定。能够通过pc机进行实时增益、暗电平直偏值、二值化图像选择采集测试。同时利用反射光源进行PCB表面丝印扫描，图像质量较好，各灰阶段间噪声很小。
本实用新型以FPGA为核心的参数在线可更改的高性能CIS图像采集***。***采用一条658mm的一体式图像传感器，避免了因传感器拼接问题而造成图像非连续性问题，增加了检测精度和降低了设计复杂度。FPGA将采集到的图像信号进行预处理，并存储于FPGA内部RAM中进行缓冲，以cameralink接口LVDS差分方式传输至上位机，提高了图像传输的可靠性。若增加反射光源，设置合适工作参数，能实现PCB板的孔径和丝印层图像的高精度采集，同时能应用于大幅纸张票据的扫描采集。PCB最小检测孔径为0.043mm，若采用更高分辨率的CIS，可以检测更小孔径。
以上所述为本实用新型较佳的实施例，在不脱离本实用新型的发明构思的前提下，任何显而易见的替换均在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于FPGA的CIS图像采集***，包括CIS传感器，其特征在于：所述的CIS图像采集***还包括与CIS传感器输出端连接的AD采集模块、与AD采集模块双向连接的FPGA数据处理模块、与FPGA数据处理模块双向连接的LVDS转换模块和单片机控制模块、与LVDS转换模块双向连接的cameralink接口，FPGA提供CIS的工作时序，CIS输出的图像经过AD采集转换成数字信号，由FPGA进行预处理，并存储到内部RAM中，按照cameralink数据格式，通过LVDS芯片将数据以差分的形式输出至cameralink接口。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的CIS图像采集***，其特征在于：所述的单片机控制模块与LVDS转换模块双向连接。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的CIS图像采集***，其特征在于：所述的单片机控制模块的输出端与AD采集模块的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的CIS图像采集***，其特征在于：所述的单片机控制模块的单片机为PIC单片机。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的CIS图像采集***，其特征在于：所述的FPGA数据处理模块的输出端与CIS传感器连接。
6.根据权利要求5所述的基于FPGA的CIS图像采集***，其特征在于：所述的FPGA数据处理模块为Cyclone III FPGA数据处理模块。
7.根据权利要求6所述的基于FPGA的CIS图像采集***，其特征在于：所述的FPGA包括CIS时序、A/D采集时序、PLL倍频、双端口RAM、MCU通信、cameralink接口模块。
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| CN110646441A (zh) * | 2019-09-04 | 2020-01-03 | 深圳市智微智能科技开发有限公司 | 基于fpga的pcb板缺陷检测***及方法 |
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